W 2001 roku przyłączyła się do Partii Pracujących (Partido dos Trabalhadores – PT), a w następnym roku była członkiem zespołu, który opracował plan energetyczny dla rządu Luisa Inácio Luli da Silvy.
W rządzie Luli Dilma objęła urząd ministra górnictwa i energii, a następnie szefowej gabinetu prezydenta. W 2010 roku została kandydatką Partii Pracujących na urząd prezydenta. Wybory wygrała w drugiej turze, zostając pierwszą w historii Brazylii kobietą na tym stanowisku. W 2014 roku ponownie została wybrana na prezydenta kraju.
12 maja 2016 roku została odsunięta na 180 dni po tym, jak rozpoczął się proces jej impeachmentu. Jej mandat wygasł ostatecznie 31 sierpnia 2016 roku, gdy Senat odsunął ją z urzędu. Jednocześnie zachowała prawa obywatelskie i może ubiegać się o stanowiska publiczne.